CN108704679A - 一种光微流控复合管型通道 - Google Patents

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Abstract

本发明公布了一种光微流控复合管型通道，包括一个透明柔性的微管道，其特征在于，该微管道的外表面具有光响应涂层，所述光响应涂层在特定波长范围的光作用下具有光热效应和光致膨胀效应；所述微管道具有至少一个液体流入口和一个液体流出口，在液体流入口和液体流出口分别具有一个密封阀门。本发明提供了一种不污染传输液体、涂层廉价、节能、高效的光控流体通道器件，将光机械驱动和光热驱动的微流控作用相结合，能够灵活实现微流体位置的粗调和细调。

Description

一种光微流控复合管型通道
技术领域
本发明涉及一种用于光控流体传输的柔性通道，属于光控流体材料技术与相关器件领域。
背景技术
微流控技术是应用微管控制微小流体的技术，适用于生化实验的小型化，因此别名芯片实验室，因其具有显著的高效性，在生物医学、有机合成、化学分析及微反应器等领域具有很好的应用前景。目前主要的应用原理是，机械驱动与非机械驱动。机械驱动主要包括气压驱动、压电驱动和离心驱动，局限性均在于控制精确度不能满足较高要求。非机械驱动主要包括电渗驱动、热气驱动及光捕获驱动，其中电渗驱动因其操作简单、架构方便等优点在微流控领域应用最为广泛，但也具有极难克服的局限性，即对微流体物理化学性质要求较高、易受外部电场干扰、对微管道本身要求较高，等等。
光能作为一种廉价清洁、精确可控的能源，作用于含有光响应特性的生色团分子的器件，能够部分地转变为器件的机械能和化学能。依照此原理可以设计、制备得到光驱动器件。可顺反异构的偶氮苯基分子及其聚合物和偶氮吡啶基分子及其聚合物是典型的具有光响应特性的分子。其光响应的机理是：在一定波长范围的光的辐照下从能量稳定的基态反式状态变成高能态的亚稳定的顺式状态，在另一不同的波长范围发生顺式结构到反式结构的转变。
现有技术一：公开号CN103084228A的中国发明专利申请公布了一种基于光响应微泵的微流控技术，其具体原理如图1所示。该技术将具有光响应性的分子加工在透光微管道1的内表面形成光响应涂层2，在光3的照射下，内表面的光响应涂层2发生可逆的物理化学性质变化，导致内表面浸润性发生改变，进而对微管道1内的微流体4进行运动控制。
现有技术二：复旦大学俞燕蕾课题组在2016年公布一种技术[Lv J A,Liu Y,WeiJ,et al.Photocontrol of fluid slugs in liquid crystal polymer microactuators[J].Nature,2016,537(7619):179.]，其原理如图2所示。该技术将偶氮苯类聚合物制成微管道1’，在梯度强度光照3’的刺激下，微管道发生梯度性的膨胀，即非对称形变，进而产生指向膨胀率降低的方向的毛细管力F，使微管道内的微流体4发生定向的移动。
使用这两种技术能够实现灵敏而渐变地控制微管道中流体的运动，并且因为其非接触式的能源提供，使装置更利于小型化与集成化。但是这两种现有技术具有四方面问题。第一，其设计结构都存在一个问题，就是光活性层与微管道内的流体直接接触，必然会因为脱落、溶解、扩散等原因而对微流体造成污染，对微流体的性质要求比较苛刻，限制了应用范围；且为了避免交叉污染，每一个微管道只能在一个程序下工作，并且聚合物不可回收。第二，二者都需要使用高分子量的聚合物类光响应分子，合成路线较长，难度较大，时间成本和环境成本都相对高昂，显然如果将装置用于一次性的使用将十分不经济。第三、整个过程虽然可以精确控制微流体的位置和移动速度，但微流体的移动速度较低，在不需要精确操控的大部分流动过程中，消耗大量不必要的时间。第四，当使用光刺激定位微流体到新的位置后，必须持续施加同样的光信号直至结束，若撤去光信号，则微流体在微管道的自我回复作用下回到光信号刺激前的位置，对于在固定位置反应较长时间的工作程序，会因持续的光信号输入消耗较多的能源。
发明内容
本发明的目的是提供一种不污染传输液体、涂层廉价、节能、高效的光控流体通道器件。
为了解决接触污染、成本高昂、加工繁琐等问题，本发明提供的光微流控复合管型通道，包括一个透明柔性的微管道，其特征在于，该微管道的外表面具有光响应涂层，所述光响应涂层在特定波长范围的光作用下具有光热效应和光致膨胀效应；所述微管道具有至少一个液体流入口和一个液体流出口，在液体流入口和液体流出口分别具有一个密封阀门。
上述光微流控复合管型通道中，构成所述光响应涂层的材料含有具有光致顺反异构性质的偶氮苯基小分子或其聚合物、偶氮吡啶基小分子或其聚合物中的一种或多种。
一些偶氮苯基小分子、偶氮吡啶基小分子或其聚合物在室温状态受特定波长范围光作用由固态转化为液态，例如：
偶氮苯基分子a：11-(4-((4-butylphenyl)diazenyl)phenoxy)undecan-1-ol，中文名称11-(4-((4-丁基苯基)二氮烯基)苯氧基)十一烷-1-醇，简称C4AzoC11OH；
偶氮吡啶基分子：11-(4-(pyridin-4-yldiazenyl)phenoxy)undecylmethacrylate，中文名称11-(4-(吡啶-4-基二苯基)苯氧基)十一烷基甲基丙烯酸酯，简称M11AzPy。
而另一些偶氮苯基小分子、偶氮吡啶基小分子或其聚合物在室温状态受特定波长范围光作用保持固态不变，如：
偶氮苯基分子b：4-((4-((11-(methacryloyloxy)undecyl)oxy)phenyl)diazenyl)benzoic acid，中文名称4-((4-((11-(甲基丙烯酰氧基)十一烷基)氧基)苯基)二氮烯基)苯甲酸，简称M11AzoCOOH；
偶氮苯基聚合物P M11AzoCOOH；
偶氮吡啶基聚合物PM11AzPy。
所述光响应涂层响应的波长范围通常在250～2000nm内。光信号功率随光源种类及距离不同而不同，一般选择光强范围在10～2000mW/cm2。这些光响应材料涂布在透明柔性的微管道外表面形成微米级厚度的涂层，涂层的厚度在10～150微米。所述光响应涂层具有以下性质：在特定波长范围的光照射下可以由反式变成顺式、并发生宏观上的体积膨胀；具有光热作用。一些典型的具有光致顺反异构性质的化合物结构式如下：
偶氮苯基分子a：C4AzoC11OH
偶氮苯基分子b：M11AzoCOOH
偶氮苯基聚合物：PM11AzoCOOH
偶氮吡啶基分子：M11AzPy
偶氮吡啶基聚合物：PM11AzPy
上面的结构式中，m、n代表聚合度，为5～1000的整数。
进一步的，上述光微流控复合管型通道中的微管道优选为硅胶管，也可以是其他柔性透明管。硅胶管具有良好的耐溶剂性和化学稳定性，适用于大部分有机、无机微流体控制工作。所述微管道的内径优选为0.5～0.8mm，管道壁厚0.25～0.4mm。
进一步的，上述光微流控复合管型通道中的密封阀门可以固体阀门，也可是液体阀门。所述液体阀门是由管道内的一段液柱形成的液体封端，所述固体阀门是能够密封管道的固体封端装置。固体封端或者液体封端就是简单的气阀，关闭后密封，打开后与外界大气连接，区别在于活动部件是固体的还是液体的。最为常见的液体阀门是装有液体的注射器，需要关闭时，注射小量液体进入通道，形成液体封端；需要打开通道时，再将小量液体抽回注射器腔内，形成通路。
本发明的光微流控复合管型通道首先能够实现光机械微流控作用，其工作程序如下：如图3所示，用特定波长的光3照射微管道中的微流体4的左端5，使该处的光响应涂层2发生膨胀，并由光响应涂层2带动该处微管道1发生膨胀，使微流体4两端的微管道内径不同，并产生毛细管力，方向指向内径细的一端，从而通过移动光照区域控制微流体4的流动。
上述光机械微流控作用能够对微流体的位置实现细调，而为了加快不需要精确调控阶段的移动速度，本发明在微管道两端设置了密封阀门7、8，与微管道1和光响应涂层2共同实现光热/光机械微流控作用。其工作程序如下：如图3所示，当密封阀门7闭合、密封阀门8打开时，密封阀门7与微流体4左端5之间有一封闭气柱9，光照气柱9范围内的管道，由于光响应涂层2的光热效应，气柱9发生膨胀，进而推动微流体4向另一端移动，当微流体4移动到需要的位置时，打开密封阀门7，由于微流体4两端气压恢复平衡，微流体4静止在该需要的位置；当密封阀门7打开、密封阀门8闭合时，密封阀门8与微流体4右端6之间有一封闭气柱10，光照气柱10范围内的管道，由于光响应涂层2的光热效应，气柱10发生膨胀，进而推动微流体4向另一端移动，当微流体4移动到需要的位置时，打开密封阀门8，由于微流体4两端气压恢复平衡，微流体4静止在该需要的位置。由于光热作用驱动流体的速度大于光机械作用驱动流体的速度，因此可以使用光热作用对微流体4的位置进行粗调，再用光机械作用对微流体4的位置进行细调。
为了解决停止光照后管道的自我回复问题，本发明采用室温光致相变的偶氮苯基小分子，或室温光致相变的偶氮吡啶基小分子等加工成光响应涂层，使涂层具有以下性质：初始状态下光致异构小分子为反式结构，反式结构在室温下为固态，一定范围波长的光照处理后，转化为顺式结构，并发生宏观上的体积膨胀；在室温下刚刚形成的顺式结构会由固态逐渐熔化为液态，宏观上逐渐回复至初始形状，并对同一光信号失去光机械作用；具有光热作用。其工作程序如下：如图3所示，用特定波长的光3照射微管道中的微流体4左端5，使该处的光响应涂层发生膨胀，并由此带动该处微管道发生膨胀，使微液体4两端的微管道内径不同，并产生毛细管力，方向指向内径细的一端，从而通过移动光照区域控制微流体4的流动；在微流体4流过该膨胀处时，该处光响应涂层在室温下逐渐熔化为液体，涂层在微管道的弹性回复作用下回复成初始状态，若此时关闭光3，则该处与微流体另一端微管道的内径相同，毛细管力达到平衡，微流体不会继续移动，从而达到微流体4停留在预定位置而不需要持续输入光信号3的效果。
本发明的光微流控复合管型通道将光机械驱动的微流控作用和光热驱动的微流控作用相结合，能够灵活实现微流体位置的粗调和细调。选择具有良好耐溶剂性和化学稳定性的材料作为通道基底，例如硅胶管，适用于大部分有机、无机微流体控制工作，适用范围广。将偶氮苯基或偶氮吡啶基的光响应材料涂布在微管道外侧，使光活性层不与微流体直接接触，一方面杜绝了接触污染的可能性，一方面管外涂层的模式便于涂层材料的回收利用，降低成本，高效节能。
附图说明
图1是现有技术一公开的光响应微泵的原理示意图。
图2是现有技术二公开的偶氮苯聚合物微流控管道的示意图。
图3是本发明光微流控复合管型通道的结构和工作原理图。
图中，1-微管道，2-光响应涂层，3-光，4-微流体，5-微流体左端，6-微流体右端，7和8-微型密封阀门，9和10-气柱，11-流入口，12-流出口，1’-偶氮苯类聚合物管，3’-梯度强度光。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明所采取的技术手段及其效果，以下结合附图，通过本发明的优选实施例进行详细阐述。但本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于附图及实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。
如图3所示，该光微流控复合管型通道由透明柔性的微管道1和其外表面的光响应涂层2构成光控流体通道主体。它的长度远远大于内径，外形基本呈圆管形，但也可以根据不同的要求设计成其他的异型管。微管道1可以是硅胶管，也可以是其他柔性透明管。光响应涂层2与微管道1的作用力可以是物理沉积的吸附力，也可以是粘结剂提供的较强的粘结力，也可以是任何其他的固定方式。微型密封阀门7、8可以由液体形成，也可以是能够密封管道的固体装置。该装置可以驱动水溶液，以及其他不与基底发生溶解或化学反应的溶液。该装置的工作状态通常是水平放置的。光响应涂层2的材料可以选择室温下光照后变为液体的偶氮苯基物质或偶氮吡啶基物质，例如偶氮苯基分子a(C4AzoC11OH)，也可以选择室温下光照前后始终为固体的偶氮苯基或偶氮吡啶基物质，例如偶氮苯基分子b(M11AzoCOOH)。光信号功率随光源种类及距离不同而不同，一般采用60-300mW/cm2。
以实施例1说明具体制备管道过程，其他实施例具体操作类似：用四氢呋喃和偶氮苯基分子a(C4AzoC11OH)配制浓度0.01g/mL的溶液，将一根长100mm、内径(直径)0.5mm、外径(直径)1.0mm的硅胶管的两端置于溶液外，中段置于溶液内，浸泡5分钟后取出烘干，剪去两端，取中段60mm，作为管道主体。将微流体4加入管道内后，在管道两端连接微型密封阀门7、8。
将一定量的液体通过流入口11加入管内，当微型密封阀门7闭合，微型密封阀门8打开时，微型密封阀门7与微流体左端5之间有一封闭气柱9，光照气柱9范围内的微管道，由于光响应涂层2的光热效应，该气柱9发生膨胀，进而推动微流体4向另一端移动，当微流体4移动到需要的位置时，打开微型密封阀门7，由于微流体4两端气压恢复平衡，微流体4静止在该需要的位置。当微型密封阀门7打开、微型密封阀门8闭合时，微阀8与微流体右端6之间有一封闭气柱10，光照气柱10范围内的微管道，由于光响应涂层2的光热效应，气柱10发生膨胀，进而推动微流体4向另一端移动，当微流体4移动到需要的位置时，打开微型密封阀门8，由于微流体4两端气压恢复平衡，微流体4静止在该需要的位置。由于光热作用驱动流体的速度大于光机械作用驱动流体的速度，因此可以使用光热作用对微流体4的位置进行粗调，再用光机械作用对微流体4的位置进行细调。
测量手段：涂层厚度用显微镜观察测得；光功率密度由光功率密度计测得；液体移动速度由显微镜观察测得。
具体实施例表格：

Claims (9)

1.一种光微流控复合管型通道，包括一个透明柔性的微管道，其特征在于，该微管道的外表面具有光响应涂层，所述光响应涂层在特定波长范围的光作用下具有光热效应和光致膨胀效应；所述微管道具有至少一个液体流入口和一个液体流出口，在液体流入口和液体流出口分别具有一个密封阀门。
2.如权利要求1所述的光微流控复合管型通道，其特征在于，所述光响应涂层的材料含有具有光致顺反异构性质的偶氮苯基小分子或其聚合物、偶氮吡啶基小分子或其聚合物中的一种或多种。
3.如权利要求2所述的光微流控复合管型通道，其特征在于，所述偶氮苯基小分子、偶氮吡啶基小分子或它们的聚合物在室温状态受特定波长范围光作用能够由固态转化为液态。
4.如权利要求3所述的光微流控复合管型通道，其特征在于，所述偶氮苯基小分子、偶氮吡啶基小分子或它们的聚合物选自下列分子中的一种或多种：
其中，m、n代表聚合度，为5～1000的整数。
5.如权利要求1所述的光微流控复合管型通道，其特征在于，所述光响应涂层响应的特定波长范围在250～2000nm内。
6.如权利要求1所述的光微流控复合管型通道，其特征在于，所述光响应涂层的厚度在10～150微米。
7.如权利要求1所述的光微流控复合管型通道，其特征在于，所述微管道为硅胶管。
8.如权利要求1所述的光微流控复合管型通道，其特征在于，所述微管道的内径为0.5～0.8mm，管道壁厚0.25～0.4mm。
9.如权利要求1所述的光微流控复合管型通道，其特征在于，所述密封阀门为固体阀门或液体阀门。
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